大连理工《Scripta Mater》：新型轻质高强、低成本共晶高熵合金！

开发在高温下具有优异性能的轻质、低成本的结构材料一直是研究人员追求的方向。迄今为止，广泛用于燃气涡轮发动机和航空发动机的传统镍基高温合金的最高使用温度已达到其熔点的80%。因此，这些高温合金已无法满足工作温度进一步升高而产生的更严苛的使用要求。共晶高熵合金(EHEAs)结合了高熵合金(HEAs)和共晶合金的优点，并表现出可控的、接近平衡的微观结构，可以抵抗温度变化直至共晶点，是高温下应用的绝佳候选者。EHEA具有良好的可铸性，可以通过直接铸造制成工业规模的铸件。因此这种EHEA因其卓越的强度和延展性而受到关注。

已有报道的EHEAs中观察到的共晶相，发现它们主要由面心立方(FCC)和B2相或FCC和Laves相组成。在这些相中，FCC相具有延展性，但强度较低。B2相具有较高的室温强度，但在高温下的抗蠕变性较差。Laves相有多种晶体结构，但最稳定的结构仍不清楚。Laves相随着温度和外加应力的变化而发生转变并具有室温脆性，使EHEAs中难以控制其微观结构和性能。因此，仍没有开发出适合高温下应用的EHEAs。

大连理工大学的研究人员开发了一种质轻且成本低的大块共晶高熵合金，铸态表现出更高的室温、高温硬度和比屈服强度，性能高于大多数已有报道的EHEAs、难熔HEAs和传统合金。相关论文以题为“A novel bulk eutectic high-entropy alloy with outstanding as-cast specific yield strengths at elevated temperatures”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114132

研究发现AlCr_1.3TiNi₂合金由BCC和L2₁相组成。2θ值为26.1°和30.3°的低角度超晶格衍射峰分别来自于有序L2₁相的(111)和(200)面，其计算晶格参数(a_L21)为0.5895 nm。BCC相的晶格参数(a_BCC)计算为0.2892 nm，BCC和L2₁相之间的晶格失配通过计算后确定为1.90%，这表明两相之间的界面是半共格的。EBSD图中细薄片(平均宽度约为270 nm)具有BCC结构，而粗薄片(平均宽度约为510 nm)具有L2₁结构。BCC相富含Cr(含有超过90% Cr)。富含Ni、Al和Ti的L2₁相可以表示为Ni₂AlTi，这是一类Heusler型有序相，具有L2₁结构。

图1（a）AlCr_1.3TiNi₂合金宏观形貌；（b, c）铸态SEM图像；（d）XRD图；（e, f）铸锭的EBSD图和DSC曲线

图2 AlCr_1.3TiNi₂合金的TEM图像

图3 AlCr_1.3TiNi₂合金的APT表征结果

在常温下，AlCr_1.3TiNi₂和Co_1.5CrFeNi_1.5Ti_0.5具有相似的硬度值，但AlCr_1.3TiNi₂ EHEA在较高温度下的性能远远优于Co_1.5CrFeNi_1.5Ti_0.5HEA。AlCr_1.3TiNi₂ 800℃时的平均硬度值为490.7 HV，900℃时的平均硬度值为483.5HV，在相同温度下，远高于Co_1.5CrFeNi_1.5Ti_0.5HEA(约385 HV和346 HV)的值，这表明AlCr_1.3TiNi₂EHEA具有出色的抗高温软化性能。在超过800℃的温度下，合金在超过50%的压缩应变下没有断裂，这表明AlCr_1.3TiNi₂ EHEA具有优异的高温塑性。AlCr_1.3TiNi₂ EHEA在室温和高温下均保持较高的比屈服强度(SYS)。

图4 AlCr_1.3TiNi₂合金硬度与温度关系比较、不同温度下压缩的应力应变曲线和SYS与温度的关系比较

本文开发了一种由L2₁和BCC相组成的新型轻量级EHEA，Heusler型L2₁相首次在EHEAs中发现。通过直接凝固方法成功制造了具有均匀超细层状结构(层间距约400nm)的千克级AlCr_1.3TiNi₂EHEA。与大多数报道的RHEA、HEA、EHEA和传统合金相比，铸态大块EHEA具有更高的室温高温硬度和SYS值。AlCr_1.3TiNi₂ EHEA有望在高温材料领域得到一定应用。（文：破风）